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전기로 초고속 구동하는 0.001㎜ 두께 다중초점 메타렌즈 개발

메타렌즈와 액정층 이용…정밀센서 등 응용 기대

(대전=뉴스1) 심영석 기자 | 2021-11-03 12:00 송고
인가되는 전압에 따라 액정 분자 배열 방향이 바뀌며 초점이 달라지는 것을 병렬적으로 보여주는 이미지(포항공대 노준석 교수 제공) © 뉴스1
인가되는 전압에 따라 액정 분자 배열 방향이 바뀌며 초점이 달라지는 것을 병렬적으로 보여주는 이미지(포항공대 노준석 교수 제공) © 뉴스1

국내 연구진이 밀리초 속도(1000분의 1초)로 초점변환이 가능한 머리카락 1000분의 1 두께의 다초점 렌즈를 개발했다.

움직임을 좇아야 하는 정밀센서나 빠른 초점 변환이 필요한 AR·VR 디스플레이와 빔조종 등에 응용될 수 있을 전망이다.

3일 한국연구재단에 따르면 포항공대 노준석 교수 연구팀이 성균관대 김인기 교수팀과 공동으로 메타렌즈에 빛의 진동방향을 제어해줄 액정층을 도입한 경량화된 다초점 렌즈 시스템을 개발했다.

3차원 광집속 및 이미징을 위한 필수요소인 다초점 렌즈 역시 소형화와 경량화가 요구되고 있다.

하지만, 기존 다초점 장치는 유리기반의 광학장치를 기계적으로 움직이는 방식으로 시스템이 무겁고 컸다.

이에 평면렌즈의 일종인 메타렌즈가 주목받았으나 가시광선 영역에서 동작하도록 제작하는 공정이 까다로웠다.

이에 연구팀은 가볍고 투과율이 좋은 실리콘과 액정으로 경량화된 다초점 렌즈를 구현했다.

㎛두께의 가볍고 작은 메타렌즈에 편광판처럼 빛의 편광상태를 바꿔줄 액정층을 도입한 것이다.

입사하는 가시광선이 액정층을 통과하면서 전기장의 방향이 시계 방향 또는 반시계방향만으로 회전하도록 제한되면서 초점 변화가 밀리초 단위로 빠르게 이뤄지도록 했다.

연구팀은 실제 이 다초점 렌즈를 이용해 원편광 상태에 따라 4㎜ 차이가 나는 두 초점을 확인한 결과 렌즈의 시야각을 2배로 키울 수 있음을 밝혀냈다.

또, 이미지의 화질을 결정하는 지표인 초점효율을 측정한 결과, 평균 초점효율은 44%로, 최대 초점효율(50%) 대비 굉장히 크게 나타났다.

노준석 교수는 “향후 렌즈의 크기를 키우거나, 두 초점간 차이를 크게 설정함으로써 초점거리 차이를 ㎝스케일까지 키울 수 있을 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드벤스드 사이언스’ 이달 표지논문으로 게재됐다.


km5030@news1.kr

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